FR2565274A1 - Procede et installation de congelation de sols au moyen d'un liquide cryogenique - Google Patents

Abstract

L'INJECTION D'AZOTE LIQUIDE DANS LA SONDE 2 EST REGULEE EN TOUT OU RIEN DE FACON A MAINTENIR LA TEMPERATURE DU SOL AU POINT LE PLUS FROID AU-DESSUS D'UNE VALEUR COMPRISE DANS LA PLAGE -140C, -160C, DE FACON A ASSURER LA CALEFACTION DE L'AZOTE LIQUIDE. L'AZOTE LIQUIDE EST ALTERNATIVEMENT INJECTE DANS LE PASSAGE CENTRAL 9 ET DANS LE PASSAGE ANNULAIRE 11 DE LA SONDE, LESQUELS SONT ISOLES THERMIQUEMENT L'UN DE L'AUTRE.

Description

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La présente invention est relative & la technique de congéla-

tion des sols par injection d'un liquide cryogénique, notamment d'azote

liquide, dans au moins une sonde de congélation enfoncée dans le sol.

On sait que la consolidation des sols par congélation permet l'ouverture de chantiers de travaux publics dans des sols humides et instables. Elle est pratiquée par injection d'un liquide réfrigérant dans des sondes introduites de place en place dans le sol. Ce refroidissement congèle le sol de proche en proche, jusqu'à former un mur continu quand

les zones de congélation de chaque sonde ont rejoint leurs voisines.

Il est connu d'injecter dans les sondes un liquide cryogénique tel que l'azote liquide. Cette injection directe d'azote liquide présente

plusieurs inconvénients, notamment la difficulté de maîtriser les coeffi-

cients d'échange thermique avec le sol. En effet, en cédant du froid, l'azote se vaporise, et les coefficients d'échange entre la sonde et l'azote liquide pur d'abord, puis les mélanges de liquide et de gaz en proportions variables, puis le gaz refroidi seul sont très différents. Il en résulte une forte hétérogénéité de l'épaisseur du sol congelé autour de la sonde et une perte de temps et d'énergie pour que les zones les moins congelées se rejoignent pour forrmer le mur consolidé, tandis que

les zones les plus congelées sont inutilement sous-refroidies et sur-

dimensionnées. De plus, les sols étant généralement hétérogènes, certai-

nes parties se congèlent plus vite que d'autres; cette hétérogénéité du

sol augmente encore l'étendue des zones inutilement congelées et sous-

refroidies. L'invention a pour but de rendre le procédé plus économique en

assurant un refroidissement plus homogène du sol.

A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de congélation de sol par injection d'un liquide cryogénique, notamment d'azote liquide, dans au moins une sonde de congélation enfoncée dans le sol, caractérisé en ce qu'on régule l'injection du liquide cryogénique de manière à maintenir la température du sol au voisinage de la sonde, sur toute la longueur de celle-ci, au-dessus d'une valeur limite prédéterminée, cette valeur limite étant supérieure d'au moins 35 C environ à la température

d'ébullition du liquide cryogénique.

Ainsi, on garantit que l'écart de température entre la paroi de la sonde et le liquide cryogénique est suffisant pour provoquer en permanence la caléfaction du liquide cryogénique au contact de cette paroi. Par suite, l'échange de chaleur entre le liquide et la paroi de la

sonde a toujours lieu par l 'inteédiaire d'une couche gazeuse de caléfac-

tion. on évite ainsi le transfert excessif de froid à la paroi qu'occa-

sionnerait le contact franc liquide-paroi si la teqpérature de la paroi de la sonde descendait trop près du point d'ébullition du liquide. Ces conditions, que l'on rencontre habituellement dans les procédés de l'art antérieur, permettent un transfert de froid très rapide mais que l'on ne

peut assurer que sur une hauteur de sonde très limitée.

En particulier, lorsque le liquide cryogénique est de l'azote liquide, ladite valeur limite est de préférence comprise entre -140 C et

-160 C environ.

Dans un mode de mise en oeuvre avantageux qui assure une bonne utilisation des frigories disponibles, on règle le débit de liquide cryogénique, pendant les périodes d'injection, de manière à obtenir une

température du gaz à sa sortie de la sonde voisine d'une valeur prédéter-

mine, cette valeur étant de préférence égale à -70 C environ dans le cas

de l'azote liquide.

L'hcmogénéité du refroidissement est encore améliorée lorsque, la sonde ccmportant un passage central et un passage annulaire,.on alterne des périodes d'injection du liquide cryogénique dans le passage central et des périodes d'injection du liquide cryogénique dans le

passage annulaire.

L'invention a également pour objet une installation de congéla-

tion de sol destinée à la mise en oeuvre d'un procédé tel que définit cidessus. Cette installation, du type comprenant au moins une sonde de congélation et des moyens d'injection dans cette sonde d'un liquide cryogénique tel que l'azote liquide, est caractérisée en ce que la sonde cmporte au moins un capteur de température sur sa paroi extérieure, au

voisinage d'une de ses extrémités.

Un exemple de réalisation de l'invention va maintenant être décrit en regard des dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 est un schéma d'une partie d'une installation de congélation conforme à l'invention; et - la figure 2 est un diagramme qui illustre le fonctionnement

de cette installation.

L'installation de congélation représentée à la figure 1 camr-

prend essentiellement un réservoir 1 de stockage d'azote liquide et une série de sondes de congélation 2, dont une seule a été représentée et

qui sont toutes identiques.

La sonde 2, supposée enfoncée verticalement dans le sol, comprend trois tubes concentriques 3 à 5. Le tube extérieur 3 est fermé à son extrémité inférieure par un fond 6 et définit avec ce dernier la surface d'échange thermique de la sonde avec le sol environnant 7. Les tubes inter'diaire 4 et intérieur 5 s'étendent de l'orifice supérieur de la sonde jusqu'à une faible distance du fond 6, et ils sont reliés à cet

emplacement par une paroi annulaire horizontale 8.

Ainsi sont délimités dans la sonde 2: un passage central 9 défini par le tube intérieur 5 et débouchant sur le fond 6; un espace annulaire intermédiaire 10, délimité par les tubes 4 et 5 et la paroi 8, qui peut être empli d'une matière thermiquement isolante telle que de la perlite; et un passage annulaire extérieur 11 délimité entre les tubes 3

et 4 et débouchant sur le fond 6.

L'installation comrporte également des moyens pour injecter de l'azote liquide dans les passages 9 et 11. Ces moyens d'injection comprennent deux conduites 12 et 13 débouchant respectivement dans ces deux passages, reliées à la partie inférieure du réservoir 1 et équipées de vannes d'arrêt respectives 14 et 15. Une vanne commune 16 d'arrêt et

de réglage de débit est également prévue à la sortie du réservoir.

L'extrémité supérieure des passages 9 et 11 est munie par ailleurs de moyens d'évacuation de gaz, schématisés par des conduites

respectives 17, 18 équipées de vannes d'arrêt respectives 19, 20.

Les vannes 14, 15, 18 et 19 sont munies d'un dispositif d'actionnement simultané à deux positions (non représenté). Dans une position, les vannes 14 et 20 sont ouvertes tandis que les vannes 15 et 19 sont fermées; l'autre position inverse l'état des quatre vannes. La

vanne 16 permet d'interrompre et de rétablir le débit d'azote liquide.

Sur la face extérieure du tube extérieur 3, la sonde 2 porte trois capteurs de température 21, constitués par exemple par des thermocouples, qui sont adaptés pour mesurer la température du sol au voisinage immédiat de la sonde, à des profondeurs de 2 m, 10 m et 18 m respectivement (températures T2, Tlo et T18 respectivement). Il est de plus prévu un capteur de température 22 relié à chacune des conduites 17 et 18 et adapté pour mesurer la température TG de l'azote gazeux sortant

de la sonde.

En fait, l'installation coarporte une série de sondes 2 disposée suivant une ligne qui définit le mur congelé à réaliser. Toutes les sondes qui sont branchées en parallèle sur le réservoir 1 de la manière décrite cidessus, chaque sonde comportant son propre jeu de vannes 14, 15, 16, 18 et 19. Le fonctionnement de cette installation, illustré à la figure 2, est basé sur une double régulation de l'injection d'azote liquide dans les sondes, chaque sonde étant régulée indépendamment des autres pour tenir caopte de l'hétérogénéité du terrain: - d'une part, l'admission d'azote liquide est régulée en tout ou rien, au moyen de la vanne 16, de manière que la température du sol au point le plus froid reste en permanence comprise entre deux valeurs limites prédéterminéeas, à partir des indications fournies par les capteurs de toepérature 21 de la sonde considérée. Comme expliqué plus haut, la limite inférieure est au moins égale à -160 C afin d'assurer la présence permanente d'une couche gazeuse de caléfaction entre l'azote liquide et le tube 3, de sorte que la totalité de l'échange thermique

entre l'azote et la sonde est un échange gaz-métal.

- d'autre part, pendant les périodes d'injection de l'azote liquide, une fois terminée la phase transitoire de mise en froid, le débit de liquide est réglé, au moyen de la vanne 16, de manière que le gaz résultant de la vaporisation de l'azote liquide ait à sa sortie de la sonde une température voisine d'une température de consigne prédéterminée choisie de manière à optimiser l'utilisation de frigories. Une

température de consigne de l'ordre de -70 C s'est révélée satisfaisante.

Cette manière de procéder amnliore nettement l'hoamgénéité du refroidissement du sol par rapport au cas o, suivant la technique antérieure, on se contente de régler le débit d'azote liquide en fonction de la température du gaz sortant de la sonde. Toutefois, on ne peut éviter par les seules régulations ci-dessus d'obtenir un fort gradient de température entre le bas et le haut des sondes. Pour supprimer en grande partie cette hétérogénéité, on inverse périodiquement les vannes 14, 15,

19 et 20 de toutes les sondes.

Ainsi, en supposant que l'on a coamencé par injecter pendant quelques heures l'azote liquide par le passage central 9 en évacuant l'azote gazeux par le passage périphérique 11, l'inversion a pour résultat que l'azote liquide est injecté dans le passage 11 tandis que

l'azote gazeux est évacué par le passage central 9.

On atteint de cette façon au bout de quelques heures un nouvel équilibre inversé dans lequel le point le plus froid, régulé entre les deux températures limites précitées, est situé en haut de la sonde et le point le moins froid en bas. On comprend qu'en inversant périodiquement les courants d'azote, on obtient une bonne hnomogénéité thermique dans le sol. L'exemple numérique suivant illustrera le procédé décrit ci-dessus: On désire consolider le plus rapidement possible par congélation un mur de 1 m d'épaisseur dans un sol sableux humide sur une profondeur de 20 m et une largeur de 50 m. Pour cela, on enfonce dans le

sol cinquante sondes 2 espacées de 1 m les unes des autres.

Chaque sonde a un diamètre extérieur de 150 mm et est ccmposée de trois tubes concentriques 3 à 5 de diamètres respectifs 150, 128 et 68 mn. L'espace annulaire central entre le tube 4 de 128 mm et le tube 5 de 68 mm est rempli de perlite. Les diamètres sont choisis de façon que la section libre du passage central 9 et celle du passage annulaire

extérieur 11 soient égales.

La congélation commence par l'injection d'azote liquide dans les tubes centraux 5. Les températures au voisinage des sondes sont toutes initialement de l'ordre de 14 C. Dans chaque sonde, l'azote se vaporise en cédant du froid au sol et en remontant par le passage annulaire extérieur. Le débit d'azote liquide D par sonde est le débit maximal de 15 l/rmn (soit 750 l/mn pour les cinquantes sondes), réglé au

moyen des vannes 16.

Dans la suite, on décrira à titre d'exemple numérique, en regard de la figure 2, le comportement d'une seule sonde, étant entendu que chacune des sondes est régulée indépendamment des autres. Les valeurs limites de la température la plus froide du sol sont choisies à -145 C et

-138 C, et la valeur de consigne de sortie de l'azote gazeux à -70 C.

La température de l'azote gazeux en sortie de sonde s'abaisse durant la première heure de -10 C à -70 C. Pendant ce temps, les températures externes atteignent -140 C à 18 m, -100 C à 10 m et -62 C à 2 m de profondeur. Comre les phénomènes transitoires de mise en froid se font encore sentir, on poursuit l'injection d'azote liquide avec le mome débit pendant 10 mn supplémentaires, durant lesquelles la tepérature de sortie de l'azote gazeux atteint -78 C et la température extérieure à 18

m atteint -145 C.

On coupe alors l'injection d'azote liquide. En 10 mrn, la température extérieure à 18 m remonte à -138 C. On rétablit un débit de 1/mn d'azote liquide. Ce débit est plus faible que ptrécédement puisque la température froide de -145 C n'avait été atteinte que pour une

température trop basse de l'azote gazeux sortant de la sonde.

En 20 mn, la température extérieure à 18 m s'abaisse de nouveau à -145 C et la température de sortie des gaz à -75 C. On coupe de nouveau le débit d'azote, puis on le rétablit à 8 1/mn (pour la mnêe raison que

ci-dessus) quand la tepérature à 18 m remonte à -138 C.

On poursuit cette alternance d'injections et d'arrêts en réduisant le débit tant que la température des gaz descend au-dessous de -70 C. Le débit est gardé constant quand cette température se stabilise dans une fourchette de -68 C à -72 C. il est augmenté si cette temperature remonte au-dessus de -68 C, et diminué si elle redescend

au-dessous de -72 C.

Au bout de 5 heures de congélation, on inverse les débits de toutes les sondes en injectant l'azote liquide par le passage annulaire

extérieur 11, le gaz ressortant par le passage central 9.

Le débit est alors fixé à 8 1/mn. Le gaz ressort initialement très froid à -120 C; c'est un régime transitoire qui provient du passage de l'azote à contre-courant de la température du sol. Au bout de 10 mn, la température de sortie du gaz remonte à -70 C et les températures externes s'établissent à: -100 C à 2 m, -100 C à 10 m, -65 C à 18 m; 20 mn plus tard, la température externe à 2 m se trouve à -145 C et le gaz

sort à -75 C.

On coupe le débit d'azote, et on le rétablit à 7 1/mn quand la température à 2 m remonte à -138 C, ce qui se produit au bout de 5 mn environ. On poursuit cette succession d'injections et d'arrêts pendant 5 heures, en modifiant éventuellement le débit d'azote liquide de la manière indiquée plus haut. On inverse de nouveau les débits à l'issue de

cette période.

On poursuit la régulation ainsi définie en inversant les débits toutes les 5 heures. Le sol est consolidé par congélation sur une épaisseur de 1 m en 50 heures environ, avec une homogénéité de

température très satisfaisante.

REVEDICATIONS

1. Procédé de congélation de sol par injection d'un liquide cryogéniqe, notamment d'azote liquide, dans au moins une sqnde de congélation (2) enfoncée dans le sol, caractérisé en ce qu'on régule l'injection du liquide cryogénique de manière à maintenir la température du sol au voisinage de la sonde, sur toute la longueur de celle-ci, au-dessus d'une valeur limite prédéterminée, cette valeur limite étant supérieure d'au toins 35 C environ à la température d'ébullition du

liquide cryogénique.

2. Procédé suivant la revendication 1, dans lequel le liquide cryogénique est de l'azote liquide, caractérisé en ce que ladite valeur

limite est comprise entre -140 C et -160 C environ.

3. Procédé suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé

en ce qu'on interrompt l'injection de liquide cryogénique lorsque ladite valeur limite est atteinte, et on la rétablit lorsque la température du sol au point le plus froid est remontée jusqu'à une seconde valeur limite.

4. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3,

caractérise en ce qu'on règle le débit de liquide cryogénique, pendant les périodes d'injection, de manière à obtenir une température du gaz

(TG) à sa sortie de la sonde voisine d'une valeur prédéterminée.

5. Procédé suivant la revendication 4, dans lequel le liquide cryogénique est de l'azote liquide, caractérise en ce que ladite valeur

prédétermuine est égale à -70 C environ.

6. Procédé- suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5,

dans lequel on utilise une sonde (2) comportant un passage central et un passage annulaire, caractérisé en ce qu'on alterne des périodes d'injection du liquide cryogénique dans le passage central (9) et des périodes d'injection du liquide cryogénique dans le passage annulaire (11) . 7. Installation de congélation de sol, du type comprenant au toins une sonde de congélation (2) et des moyens (12 à 15) d'injection dans cette sonde d'un liquide cryogénique tel que l'azote liquide, caractérisée en ce que la sonde (2) comporte au moins un capteur de température (21) sur sa paroi extérieure (3), au voisinage d'une de ses

extr&nités.

8. Installation suivant la revendication 7, caractérisée en ce que la sonde (2) comprend également un capteur (22) de la température

(TG) du gaz sortant de la sonde.

9. Installation suivant l'une des revendications 7 et 8, dans

laquelle la sonde coarporte un passage central et un passage annulaire, caractérisée en ce que lesdits moyens d'injection (12 à 15) sont adaptés pour injecter le liquide cryogénique soit dans le passage central (9),

soit dans le passage annulaire (11) de la sonde.

10. Installation suivant la revendication 9, caractérisée en ce que la sonde (2) porte sur sa paroi extérieure (3) au moins un capteur de

température (21) à chaque extrémité.

11. Installation suivant l'une des revendications 9 et 10,

caractérisée en ce que la sonde (2) comprend des moyens d'isolation thermique (10) interposés entre le passage central (9) et le passage

annulaire (11).